גידול תאים במודלים תלת-ממדיים הוא יתרון בהשוואה לשיטות תרבית תאים דו-ממדיות טיפוסיות, שכן הוא משחזר טוב יותר את מבני הרקמה ואת האינטראקציות בין תא לתא שנמצאים ב-vivo. ספרואידים הם אגרגטים תלת-ממדיים של תאים שמאפשרים אינטראקציות מורכבות בין תאים; אינטראקציות אלו נפגעות בתאים שגדלו כמונולייר על פלסטיק לתרבות רקמות. ספרואידים יכולים לגדול בתוך פיגום המדמה את המיקרו-סביבה שממנה הגיע התא. לדוגמה, הידרוג'לים הם חומר ביולוגי פופולרי המשמש לתרבות תאים/ספרואידים, שכן הם מאפשרים שליטה מדויקת על פרמטרים כמו קשיחות, התכלות, גודל נקבוביות ושילוב גורמי גדילה1 (איור 1A). רמזים מכניים לעיתים קרובות קודמים לשינויים ביוכימיים בפתולוגיות מחלה כגון סרטן ופיברוזיס 2,3, ולכן רכישת החתימה הביומכנית במודלים תלת-ממדיים קליניים רלוונטיים של מחלות היא חיונית לפיתוח התערבויות אבחנתיות להנחיית הפרקטיקה הטיפולית ולהבנת הפתופיזיולוגיה הבסיסית4.
מיקרוסקופיית ברילואן (BM) היא טכניקת הדמיה המאפשרת למדוד את התכונות המכאניות של חומרים ביולוגיים במישורים דו-ממדיים 5,6,7. ל-BM יתרונות מרכזיים על פני שיטות נפוצות יותר, כגון מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) ואלסטוגרפיה. מתועד היטב ש-AFM יכול להגיע לרזולוציה מכנית מרחבית-זמנית גבוהה ושהאלסטוגרפיה יכולה לבדוק את המכניקה בתוך דגימות 8,9. BM אינו דורש מגע ישיר עם החומר הנחקר, מה שהופך אותו לטכניקה אידיאלית על פני AFM לדגימות/תאים שקשה להגיע אליהם, כמו ספרואידים בתוך הידרוגלים. יתרון מרכזי נוסף של BM הוא שהוא אינו דורש תיוג דגימות ויכול לספק רזולוציה בקנה מידה מיקרו בתוך דגימות ביולוגיות, ששיטות אלסטוגרפיה נפוצות אינן יכולות להגיעל-7; טכניקות אלסטוגרפיה אופטית מתקדמות יותר יכולות לפעול ברזולוציה בקנה מידה מיקרו10. יש לציין כי הרזולוציה המדויקת והיעילה בהדמיית ברילואין של דגימות ביולוגיות הטרוגניות אינה פשוטה להגדרה. ראשית, עבור אורך גל תאורה נתון, זה תלוי בתכונות האופטיות המתארות את גודל נקודת המוקד (צמצם נומרי, NA, של עדשת האובייקטיב ואטימות הדגימה). בנוסף, הדיוק שבו ניתן לבדוק את התכונות המכניות של הדגימה, כמו גם צורת ספקטרום ברילואן, מושפעים מהמאפיינים האקוסטיים של החומר (אורך גל פונון ואורך התפשטות)11,12. התופעה הבסיסית מאחורי ספקטרוסקופיית ברילואן היא פיזור ברילואן, שבו אור הלייזר המונוכרומטי הנכנס מתקשר עם פונונים אקוסטיים ספונטניים המושרים תרמית בתוך המדיום הביולוגי. זה גורם לפיזור לא אלסטי של אור ו-(הזזת תדר ברילואן, BFS) באיור 1B ובדרך כלל בסדר גודל של כמה GHz, ותלוי אם הפוטון מאבד או צובר אנרגיה, שיאי Brillouin Stokes ואנטי-סטוקס מזוהים בספקטרום האור המפוזר, בהתאמה. באמצעות תלותה במהירות הקול המקומית בתווך, ה-BFS קשור למודולוס האורכי האלסטי, אשר בתורו מקושר אמפירית למודול יאנג 7,13; עם זאת, יש להיזהר בהשוואות בין מודולי אלו, שכן (i) הם אינם קשורים ישירות, (ii) מודולוס יאנג בדרך כלל נמצא בטווח Pa-kPa עבור דגימות ביולוגיות וחומר רך, בעוד שהמודולוס האורכי המתקבל מברילואין נמצא בטווח GPa, ו-(iii) יש לקחת בחשבון פרמטרים כמו שינויים במקדם השבירה וצפיפות החומר.7. רוחב קו ברילואן (באיור 1B) הוא מדד נוסף שהושג מ-BM. הוא קשור למודולוס האובדן האורכי, ומספק תובנות לגבי צמיגות הדגימה; תכונות אלו ניתנות לקשר עם ויסקואלסטיות14. לכן, BM מאפשר הערכת תכונות הוויסקואלסטיות, כאשר BFS גדול יותר מרמז על חומר קשיח יותר, ורוחב קו גדול יותר מרמז על חומר צמיגי יותר (איור 1B). יש לציין כי פיזור אלסטי (ריילי), שבו הפוטונים אינם עוברים שינוי תדר, יש לו סיכוי גבוה משמעותית להתרחש בהשוואה לפיזור ברילואן. לכן, ספקטרומטרים של ברילואין חייבים להיות מצוידים לדיכוי אות ריילי.
BM שימש לאפיון תכונות מכניות של רקמות שונות, חומרים ביולוגיים ומודלים של תרבית תאים תלת-ממדית. לדוגמה, השתמשו ב-BM להבחנה בין מלנומה לרקמה הבריאה הסובבת, מה שהראה כי הרקמה הלא-סרטנית הייתה רכה משמעותית מהמלנומה15. Rad ואחרים הראו כי הגדלת ריכוז הפולימר של הידרוג'לים מובילה לעלייה ב-BFS וברוחב הקו. בריכוזי הפולימר הנמוכים ביותר, הידרוגלים עם תאים הראו ירידה גדולה יותר בשינויים בתדירות ברילואין במשך שבעה ימים בהשוואה להידרוג'לים ריקים, שהוצע כתוצאה משיפוץ תאי של ההידרוג'ל. זה לא נצפה בריכוז פולימרי של 10%, מה שהדגיש את היעדר אפשרי בחיוניות התאים שנמצאים בהידרוג'לים אלו.
הרלוונטי ביותר למחקר הנוכחי, BM שימש לחקר התכונות המכאניות של ספרואידים 17,18,19,20. בפרט, ניתן לזהות את השפעת המיקרו-סביבה המקומית על מכניקת הספירואיד באמצעות BM20. בהשוואה לספירואידים של גידול שגודלו בהידרוגלים תואמים, ספרואידים שגדלו בהידרוגלים קשיחים הראו BFS גבוה יותר, מה שמעיד על מוגבר במודולוס האלסטי20. שונות מרחבית של תכונות מכניות בתוך ספרואיד יכולה להיות מאופיינת גם ב-BM. לדוגמה, נמצא כי ה-BFS של ספרואידי הגידול עולה לכיוון ליבת הספרואידב-20,21. יתרה מזאת, ירידה ב-BFS קשורה לעלייה בפולשניות של ספרואידים של הגידול20. BM שימש לחקר השינויים המכניים של ספרואידים בגידול בתגובה לזעזוע אוסמוטי22. במחקר, נבדק צמיחת הספרואיד במשך 5 ימים, ונמצא כי ההבדלים המכניים הראשוניים בין סרטן לספרואידים בריאים שנצפו ב-BM אבדו עם הזמן. מחקר נוסף מצא עלייה ב-BFS של הספרואיד לאחר 7 ימים, שיוחסה לעלייה בגודל הספרואיד ובמספר התאים16.
יתרה מזאת, נערכו מחקרים רב-מודליים, תוך שימוש במיקרוסקופיית ברילואין לצד AFM וריאולוגיה, כדי לבדוק את התכונות המכניות של תאים והידרוג'לים 16,23,24. Rad ואחרים השתמשו בריאולוגיה כדי להקשר את המגמות שנמדדו באמצעות BM, וקבעו מתאם חיובי חזק בין מודולוס האורך למודול הגזירה של האחסון ביחס לריכוז הפולימרי של הידרוג'לים16. מיקרוסקופיית ברילואין ומיקרו-ריאולוגיה אופטית של פינצטה שימשו למדידת מכניקת תאי הסרטן שגודלו בהידרוג'לים תלת-ממדיים23. במחקר זה, נמצאה ירידה בהטרוגניות מכנית בין תאים בספרואידים לעומת תאים בודדים שגדלו תלויים בהידרוג'לים.
בעבודה זו, מפורט פרוטוקול לחקירת התכונות המכאניות של ספרואידים חיים המוטמעים בהידרוג'לים באמצעות מיקרוסקופ ברילואן מסחרי (איור 1). ברגהאוס ואחרים תיארו פרוטוקול שמפרט את השלבים לבניית ספקטרומטר ברילואין ברזולוציה גבוהה ושיטה לכיול שלו עם חומרי ייחוס25. בנוסף, פרוטוקול של שי ואחרים מתאר את השימוש במיקרוסקופיית ברילואין למעקב אחר השינויים בתכונות המכאניות של רקמת העובר26. אנו משתמשים בספרואידים של תאי גזע מזנכימליים (MSCs) בהידרוג'לים פולי(אתילן) גליקול (PEG)-מאלימיד כדי לחקות את נישת מח העצם ולחקור את התכונות המכאניות של הסביבה הזו. למודל תלת-ממדי זה יש פוטנציאל לחשוף את החתימה המכאנית של מחלות מח עצם, כולל לוקמיה, מיאלומה נפוצה וסרטן עצם משני. לכן, הפרוטוקול ניתן להעברה ישירה למודלים תלת-ממדיים של מחלות אחרות שבהן מכנוביולוגיה מופרעת עשויה למלא תפקיד חשוב בפתולוגיה. הכנת הספירואיד וההידרוג'ל, הדמיית פלואורסצנציה וטכניקות המיקרוסקופיה של ברילואין מפורטות במיוחד. ההליכים המומלצים, החסרונות האפשריים והשיפורים האפשריים בטכניקה נדונים. התיאור המפורט של הגדרת הניסוי מוצג באיור S1 ובסעיף חומרים משלימים ושיטות הקשור למערכת הניסוי.